Pulsbreedtemodulatie

Pulsbreedtemodulatie (PWM) gebruikt digitale signalen om stroomtoepassingen te besturen, en is ook vrij eenvoudig terug te converteren naar analoog met een minimum aan hardware.

Analoge systemen, zoals lineaire voedingen, hebben de neiging veel warmte te genereren, omdat het in feite variabele weerstanden zijn die veel stroom voeren. Digitale systemen genereren over het algemeen niet zoveel warmte. Vrijwel alle warmte die een schakelapparaat genereert, is tijdens de overgang (wat snel gaat), terwijl het apparaat niet aan of uit staat, maar er tussenin. Dit komt omdat vermogen de volgende formule volgt:

P =E I, of Watt =Spanning X Stroom

Als de spanning of stroom bijna nul is, zal het vermogen bijna nul zijn. PWM maakt optimaal gebruik van dit feit.

PWM kan veel van de kenmerken van een analoog besturingssysteem hebben, in die zin dat het digitale signaal vrij rond kan lopen. PWM hoeft geen gegevens vast te leggen, hoewel er uitzonderingen zijn bij hogere controllers.

Inschakelduur

Een van de parameters van elke blokgolf is de duty cycle. De meeste blokgolven zijn 50%, dit is de norm bij het bespreken ervan, maar ze hoeven niet symmetrisch te zijn. De AAN-tijd kan volledig worden gevarieerd tussen signaal uit tot volledig aan, 0% tot 100%, en alle bereiken daartussen.

Hieronder ziet u voorbeelden van een inschakelduur van 10%, 50% en 90%. Hoewel de frequentie voor elk hetzelfde is, is dit geen vereiste.

De reden waarom PWM populair is, is simpel. Veel belastingen, zoals weerstanden, integreren het vermogen in een getal dat overeenkomt met het percentage. Conversie naar zijn analoge equivalente waarde is eenvoudig. LED's reageren erg niet-lineair op stroom, geven een LED de helft van zijn nominale stroom en je krijgt nog steeds meer dan de helft van het licht dat de LED kan produceren. Bij PWM is het door de LED geproduceerde lichtniveau zeer lineair. Motoren, die later worden besproken, reageren ook erg goed op PWM.

Een van de verschillende manieren waarop PWM kan worden geproduceerd, is door een zaagtandgolfvorm en een comparator te gebruiken. Zoals hieronder getoond hoeft de zaagtand (of driehoeksgolf) niet symmetrisch te zijn, maar is de lineariteit van de golfvorm belangrijk. De frequentie van de zaagtandgolfvorm is de bemonsteringsfrequentie voor het signaal.

Als er geen berekening bij betrokken is, kan PWM snel zijn. De beperkende factor is de frequentierespons van de comparatoren. Dit is misschien geen probleem, aangezien nogal wat van de toepassingen een vrij lage snelheid hebben. Sommige microcontrollers hebben PWM ingebouwd en kunnen op verzoek signalen opnemen of creëren.

Toepassingen voor PWM lopen sterk uiteen. Het is het hart van klasse D-audioversterkers, door de spanningen te verhogen, verhoogt u de maximale output, en door een frequentie te selecteren die buiten het menselijk gehoor ligt (meestal 44 kHz) kan PWM worden gebruikt. De luidsprekers reageren niet op de hoge frequentie, maar dupliceren de lage frequentie, het audiosignaal. Hogere bemonsteringsfrequenties kunnen worden gebruikt voor een nog betere getrouwheid, en 100 Khz of veel hoger is niet ongehoord.

Een andere populaire toepassing is motortoerentalregeling. Motoren als klasse vereisen zeer hoge stromen om te werken. Het kunnen variëren van hun snelheid met PWM verhoogt de efficiëntie van het totale systeem behoorlijk. PWM is effectiever in het regelen van motorsnelheden bij lage RPM dan lineaire methoden.

H-bruggen

PWM wordt vaak gebruikt in combinatie met een H-brug. Deze configuratie wordt zo genoemd omdat deze lijkt op de letter H, en zorgt ervoor dat de effectieve spanning over de belasting kan worden verdubbeld, aangezien de voeding over beide zijden van de belasting kan worden geschakeld. Bij inductieve belastingen, zoals motoren, worden diodes gebruikt om inductieve pieken te onderdrukken, die de transistoren kunnen beschadigen. De inductantie in een motor heeft ook de neiging om de hoogfrequente component van de golfvorm te verwerpen. Deze configuratie kan ook worden gebruikt met luidsprekers voor Klasse D-audioversterkers.

Hoewel dit schema van een H-brug in principe nauwkeurig is, heeft het één ernstige fout. Het is mogelijk dat tijdens de overgang tussen de MOSFET's beide transistors aan de boven- en onderkant tegelijkertijd aan zijn en de volledige last van wat de voeding kan leveren, op zich nemen. Deze toestand wordt doorschieten genoemd en kan gebeuren met elk type transistor dat in een H-brug wordt gebruikt. Als de voeding krachtig genoeg is, zullen de transistoren het niet overleven. Het wordt afgehandeld door stuurprogramma's voor de transistors te gebruiken waarmee de ene kan worden uitgeschakeld voordat de andere kan worden ingeschakeld.

Schakelmodus voedingen

Switching Mode Power Supplies (SMPS) kunnen ook gebruikmaken van PWM, hoewel er ook andere methoden bestaan. Het toevoegen van topologieën die het opgeslagen vermogen in zowel inductoren als condensatoren gebruiken na de belangrijkste schakelcomponenten, kan de efficiëntie voor deze apparaten behoorlijk hoog verhogen, in sommige gevallen meer dan 90%. Hieronder ziet u een voorbeeld van een dergelijke configuratie.

Efficiëntie wordt in dit geval gemeten als wattage. Als je een SMPS hebt met 90% efficiëntie, en het zet 12VDC om naar 5VDC bij 10 Ampère, dan zal de 12V-kant ongeveer 4,6 Ampère trekken. De 10% (5 watt) die niet wordt meegerekend, wordt weergegeven als restwarmte. Hoewel het iets luidruchtiger is, zal dit type regelaar veel koeler werken dan zijn lineaire tegenhanger.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Ontwerpproject:werkblad voor pulsbreedtemodulatie (PWM) signaalgenerator

• Signaalmodulatie werkblad